JP2016024707A - Tactile sense presentation device and inner force sense presentation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元のVR(Virtual Reality:仮想現実)空間で仮想物体を仮想手で把持した際の触覚及び力覚を、仮想手の動作を操作する操作者の手に感知可能に伝達する触覚提示装置及び力触覚提示システムに関する。 The present invention sensiblely transmits a tactile sensation and a force sensation when a virtual object is gripped by a virtual hand in a three-dimensional VR (Virtual Reality) space to an operator's hand operating the virtual hand. The present invention relates to a tactile sense presentation device and a force / tactile sense presentation system.
近年、コンピュータ性能の飛躍的な進歩により、画面上の3次元VR空間内に仮想の物体と手を描画し、仮想手が仮想物体を把持する制御を操作者が容易に操作可能となっている。例えば、操作者が自分の手の指等に操作用の装具を装着し、この装具で、仮想の手が仮想物体を把持するように操作を行う。 In recent years, due to dramatic progress in computer performance, a virtual object and a hand are drawn in a three-dimensional VR space on the screen, and the operator can easily control the virtual hand to hold the virtual object. . For example, an operator wears an operation device on a finger or the like of his / her hand and performs an operation such that a virtual hand grasps a virtual object with the device.
この際、仮想手が仮想物体を任意の力で把持した際に、仮想手が仮想物体を把持する力の反力(手を押し返す力)を、操作者の手に伝達する。その反力が力覚である。換言すれば、「力覚」とは、力の感覚のことである。更に、その力覚と同時に、仮想手が仮想物体を把持した際の物体の触感を、操作者の手に伝達する。この触感が触覚である。 At this time, when the virtual hand grips the virtual object with an arbitrary force, the reaction force of the force with which the virtual hand grips the virtual object (force to push back the hand) is transmitted to the operator's hand. The reaction force is force sense. In other words, “force sense” is a sense of force. Furthermore, simultaneously with the force sense, the tactile sensation of the object when the virtual hand grips the virtual object is transmitted to the operator's hand. This tactile sensation is a tactile sense.
このように触覚及び力覚を操作者の手に提示(伝達)する装置として、例えば非特許文献1に記載の手に装着するグローブがある。このグローブは、多指操作型で触覚及び力覚を操作者に提示する力触覚提示デバイスであって、小型振動子がグローブの指先に組み込まれている。このグローブは、仮想手が仮想物体を所望の力で把持した際の触覚及び力覚を、小型振動子の振動で表し、この振動を操作者の指先に伝達する。また、グローブは、指先に小型振動子を組み込んだ構成なので、小型軽量で操作性が良好となっている。 As a device for presenting (transmitting) a tactile sensation and a force sensation to an operator's hand as described above, for example, there is a glove attached to the hand described in Non-Patent Document 1. This glove is a multi-finger operation type force / tactile sensation presentation device that presents tactile sensation and force sensation to an operator, and a small vibrator is incorporated in the fingertip of the glove. This glove expresses a tactile sensation and a force sensation when a virtual hand grips a virtual object with a desired force by vibration of a small vibrator, and transmits this vibration to the fingertip of the operator. In addition, since the glove has a structure in which a small vibrator is incorporated into a fingertip, the glove is small and light and has good operability.
しかし、非特許文献1に記載のグローブは、操作者の指先へ、小型振動子による振動を伝達するのみなので実際には振動感覚だけしか提示できず、触覚及び力覚の忠実性、応答性が極めて劣っている。つまり、そのグローブは、触覚及び力覚を操作者に提示する能力が低く、触覚及び力覚を操作者に適正に提示することができないという問題がある。 However, since the glove described in Non-Patent Document 1 only transmits vibration by a small vibrator to an operator's fingertip, it can actually present only vibration sensation. Very inferior. That is, the glove has a low ability to present tactile sensation and force sensation to the operator, and there is a problem that the tactile sensation and force sensation cannot be properly presented to the operator.
この他、触覚及び力覚の提示の方法としては、ピン型アクチュエータ、電気刺激方式、或いは圧縮空気によるものも提案されているが、これらは装置自体が大きく軽量性に劣り、グローブのような良好な操作性が実現できないという問題がある。 In addition, as a method for presenting tactile sensation and force sensation, a pin-type actuator, an electric stimulation method, or a method using compressed air has been proposed, but these devices are large and inferior in weight and are good like a glove. There is a problem that it is not possible to realize an easy operability.
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such a background, and can appropriately present tactile sensation and force sensation when a virtual object in a virtual space subject to operation control is gripped by a virtual hand to an operator. It is another object of the present invention to provide a tactile sensation presentation apparatus and a force / tactile sensation presentation system that enable an operator to obtain good operability.
前記した課題を解決するため、本発明による請求項1に記載の触覚提示装置は、演算及び制御処理を行う演算処理手段の制御により画面に表示される表示物体が、同表示される表示手で把持された際の触覚を、当該表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する触覚提示装置において、筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部とを備え、前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the haptic presentation device according to claim 1 of the present invention is configured such that the display object displayed on the screen by the control of the arithmetic processing unit that performs the arithmetic and control processing is a display hand that displays the same. In the tactile sensation presentation device that transmits the tactile sensation at the time of grasping to the operator's hand operating the operation of the display hand in cooperation with the control of the arithmetic processing means, the tactile presentation device has a cylindrical shape, A bobbin whose opening is closed and the inside of which is concave, a coil formed by winding a conductive wire around the outer periphery of the bobbin, and a bobbin that is movably disposed inside the concave shape, and has a tip on the opening side of the bobbin And a movable part formed by integrally fixing the pointed member to the magnet, and by the operation of the operator with the bobbin attached so that the opening of the bobbin is in contact with the hand of the operator, The display hand is the display object When gripped, current is supplied to the coil, and the tip of the movable part that moves due to electromagnetic induction generated by the supply protrudes from the opening of the bobbin so that the operator feels the tactile sensation. It is characterized by pressing an operator's hand.
この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を把持した際に、操作者の手に装着されたボビンのコイルに電流が供給される。この電流供給によってボビンの凹状内部の可動部が移動し、可動部の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、表示手に表示物体を把持させた時に、表示物体に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。 According to this configuration, when the display hand displayed on the screen grips the display object by the operation of the operator's hand, current is supplied to the coil of the bobbin attached to the operator's hand. This current supply moves the movable part inside the concave shape of the bobbin, and the tip of the movable part presses the operator's hand so that the operator feels a tactile sensation. Therefore, the operator can actually feel a tactile sensation when holding the real object corresponding to the display object when the display hand is made to hold the display object by operating his / her hand.
請求項2に係る触覚提示装置は、前記尖り部材は、当該尖り部材の先端の曲率半径が0mm〜1.8mmであり、前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする。 In the tactile sense presentation device according to claim 2, the sharp member has a curvature radius of 0 mm to 1.8 mm at a tip of the sharp member, and a current value supplied to the coil is a current of the current value. When the tip of a sharp member having a radius of curvature of 0 mm to 1.8 mm presses the operator's hand due to the movement of the movable portion when supplied to the operator, the operator feels the tactile sensation. It is characterized by being.
この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径を0mm〜1.8mmの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材の先端の曲率半径を、0mm〜1.8mmの比較的広い範囲で定めることができる。 According to this configuration, even when the radius of curvature of the tip of the pointed member is selected within the range of 0 mm to 1.8 mm, the operator can transmit a tactile sensation similar to when a real object corresponding to a virtual object is gripped. it can. Therefore, the radius of curvature of the tip of the pointed member can be determined within a relatively wide range of 0 mm to 1.8 mm.
請求項3に係る発明は、前記コイルに供給される電流値は、前記尖り部材の先端の曲率半径が小さくなるに従い、小さくすることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the value of current supplied to the coil decreases as the radius of curvature of the tip of the pointed member decreases.
この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径が小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値の電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径を小さくして、消費電力を抑制することができる。 According to this configuration, the smaller the radius of curvature of the tip of the pointed member, the easier it is for the tip to bite into the operator's hand, so even when the current is small, the Can provide a tactile sensation. Further, the power consumption can be suppressed by reducing the radius of curvature.
請求項4に係る触覚提示装置は、前記可動部は、前記ボビンの開口が下方を向くことにより、前記尖り部材の先端が前記操作者の手に重力で載置状態となった際に、当該操作者が当該可動部の重さを感じない重量とされていることを特徴とする。 In the tactile sense presentation device according to claim 4, when the opening of the bobbin faces downward, the movable part has the tip of the pointed member placed in a gravitational state in the operator's hand. The weight is such that the operator does not feel the weight of the movable part.
この構成によれば、尖り部材の先端が操作者の手に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態となっている時点では可動部の重量を感じない。このため、操作者の手の操作で表示手が表示物体を把持した際の、尖り部材の先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。 According to this configuration, even when the tip of the pointed member is placed on the operator's hand due to gravity, the weight of the movable part is not felt at the time when the tip is placed. For this reason, when the display hand holds the display object by the operation of the operator's hand, it is possible to properly feel the tactile sensation due to the pressure on the tip of the sharp member.
請求項5に係る触覚提示装置は、触覚提示装置の重量は、当該触覚提示装置を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする。 The haptic presentation device according to claim 5 is characterized in that the weight of the haptic presentation device is less than 2.1 g together with a device for mounting the haptic presentation device on the hand of the operator.
この構成によれば、物の重量が2.1g以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、装具と併せて2.1g未満の触覚提示装置では、人は、その重さを感じない。従って、触覚提示装置を装具で操作者の手に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、表示手の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置の可動部の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。 According to this configuration, when the weight of an object is 2.1 g or more, if the object is placed on a hand, for example, the person feels the weight of the placed object. For this reason, in the tactile sense presentation device of less than 2.1 g together with the brace, a person does not feel the weight. Therefore, if the tactile sense presentation device is mounted on the operator's hand with the brace, the operator can perform the operation of the display hand satisfactorily without feeling the weight of the attachment. For this reason, the operator does not substantially feel the weight when the tactile sensation is not presented by pressing the movable part of the tactile presentation device. Can feel right.
請求項6に係る触覚提示装置は、前記表示物体及び前記表示手は、前記演算処理手段の描画制御により、仮想現実空間に描画される仮想物体及び仮想手であることを特徴とする。 The tactile sense presentation device according to claim 6 is characterized in that the display object and the display hand are a virtual object and a virtual hand drawn in a virtual reality space by the drawing control of the arithmetic processing means.
この構成によれば、画面に3次元等の仮想現実空間における仮想物体及び仮想手を描画した状況において、操作者は自分の手で仮想手の動きを操作して、仮想手に仮想物体を把持させた時に、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。 According to this configuration, in a situation where a virtual object and a virtual hand in a three-dimensional virtual reality space are drawn on the screen, the operator operates the movement of the virtual hand with his / her hand and holds the virtual object with the virtual hand. When touched, you can actually feel the tactile sensation when you hold it.
請求項7に係る触覚提示装置は、前記表示手は、前記操作者が自身の手で前記演算処理手段が通信装置を介して操作制御を行う離間位置のロボットのマニピュレータが表示されたものであり、前記表示物体は、前記マニピュレータが把持する実物体が表示されたものであることを特徴とする。 In the tactile sensation presentation device according to claim 7, the display hand displays a manipulator of a robot at a separated position where the operator is operating his / her hand and the arithmetic processing unit performs operation control via the communication device. The display object is a display of an actual object held by the manipulator.
この構成によれば、操作者が画面に表示手として表示された遠隔地のマニピュレータを見ながら、マニピュレータの動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面に表示されたマニピュレータの近くの実物体を、操作者が遠隔操作でマニピュレータに把持させた時に、操作者は、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。 According to this configuration, it is assumed that the operator is remotely manipulating the movement of the manipulator while looking at the manipulator at the remote location displayed as the display hand on the screen. At this time, when the operator grips the real object near the manipulator displayed on the screen by the manipulator by remote operation, the operator can actually feel the tactile sensation at the time of gripping.
請求項8に係る力触覚提示システムは、請求項1〜7の何れか1項に記載の触覚提示装置と、前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置とを備えることを特徴とする。 The force / tactile sense presentation system according to claim 8 is displayed on the screen by the control of the tactile sense presentation device according to any one of claims 1 to 7 and the arithmetic processing unit that controls the operation of the touch sense presentation device. A sense of force that is a reaction force of a gripping force when the display object is gripped by the display hand can be sensed by an operator's hand that operates the display hand in cooperation with the control of the arithmetic processing means. And a force / tactile sensation presentation device for transmitting to the device.
この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持した際に、その把持した際の触覚と、把持力の反力である力覚とが、操作者の操作中の手に伝達される。これによって、操作者は、表示手が表示物体を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。 According to this configuration, when the display hand displayed on the screen strongly grips the display object by the operation of the operator's hand, a tactile sensation at the time of gripping and a force sensation that is a reaction force of the gripping force are generated. , Transmitted to the hand being operated by the operator. As a result, when the operator performs an operation of strongly holding the display object by the display hand, the operator can feel the tactile sensation and the force sensation of the holding at the same time.
請求項9に係る力触覚提示システムは、前記力覚提示装置は、前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、前記モータの内、少なくとも1つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、1つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする。 In the force / tactile sense presentation system according to claim 9, the force sense presentation device includes a plurality of motors controlled to rotate by the arithmetic processing unit according to the operation, and the motor according to forward or reverse rotation of the motor. A thread that is attached so that its length expands and contracts, and a thread connection part to which a thread extending from at least one of the motors is connected. The thread connection part and the tactile sense presentation device include: The thread is attached to the operator's hand via one appliance, and the arithmetic processing means is configured to attach the thread that is attached to the operator's hand when the display object is gripped by the display hand. The position of the operator's hand is determined by measuring the lengths of a plurality of threads bundled at the connecting portion, and the force of the motor required to transmit the force sense to the hand at this position by pulling with the thread. Generate information to perform rotation control, and this generated Distribution In rotates the motor, the force sense is characterized by pulling the operator's hand with the yarn so as to be transmitted to the hand of the operator.
この構成によれば、操作者の手により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持するように操作を行った際に、力覚提示装置の糸が、その把持する力の反力である力覚が伝わるように操作者の手を引っ張る。これによって、操作者に把持力の反力である力覚を感じさせることができる。 According to this configuration, when the operator's hand performs an operation so that the display hand displayed on the screen strongly grips the display object, the thread of the force sense presentation device reacts with the gripping force. Pull the operator's hand so that the force sense is transmitted. As a result, the operator can feel a force sense that is a reaction force of the gripping force.
請求項10に係る力触覚提示システムは、前記触覚提示装置及び前記糸接続部を合計した重量は、当該触覚提示装置及び当該糸接続部の双方を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする。
In the force / tactile sense presentation system according to
この構成によれば、操作者は、触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。 According to this configuration, the operator can easily feel the tactile sensation and the force sensation, can feel the tactile sensation and the force sensation appropriately, and can obtain good operability.
本発明によれば、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することができる。 According to the present invention, tactile sensation and force sensation in the case where a virtual object in a virtual space to be operated and controlled is grasped with a virtual hand can be appropriately presented to the operator, and the operator can have good operability. A tactile sensation presentation apparatus and a force haptic presentation system that can be obtained can be provided.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<実施形態の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの構成を示すブロック図である。
図1に示す力触覚提示システム10は、コンピュータ画面上の3次元VR空間に描画された仮想物体(表示物体)を仮想手(表示手)で把持する操作制御を、操作者が手で行っている際に、仮想手に仮想物体を把持させた場合、仮想手が仮想物体に触れる触感と、把持力の反力とを、触覚及び力覚として操作者の手に伝達(提示)するものである。
力触覚提示システム10は、コンピュータ(演算処理手段)20と、力覚用コントローラ30と、力覚提示装置(ハプティックインターフェース:Haptic Interface)40と、触覚用コントローラ50と、触覚提示装置60とを備えて構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Configuration of Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a force / tactile sense presentation system according to an embodiment of the present invention.
The force / tactile
The force / tactile
コンピュータ20は、力覚提示装置40及び触覚提示装置60を各指先に装着した操作者の手100による操作に応じて、画面20a上に3次元の仮想物体及び仮想手を描画し、この描画された仮想手が仮想物体を把持する等の動作制御を行う。
また、コンピュータ20は、仮想手が仮想物体を把持した際の触覚を、触覚提示装置60で手100に伝えるための触覚提示情報の信号を、触覚用コントローラ50へ出力する。更に、コンピュータ20は、その把持力の反力を、力覚提示装置40で手100に伝えるための力覚提示情報の信号を、力覚用コントローラ30へ出力する。
The
In addition, the
触覚用コントローラ50は、触覚提示情報の信号をPWM(Pulse Width Modulation)による触覚提示信号(電気信号)に変換して触覚提示装置60へ出力する。
触覚提示装置60は、触覚提示信号に応じた触覚を手100に伝達(提示)する。
The
The tactile
力覚用コントローラ30は、力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号(電気信号)を力覚提示装置40へ出力する。
力覚提示装置40は、力覚提示信号に応じた力覚を手100に伝達(提示)する。
なお、触覚提示情報又は力覚提示情報の信号を電気信号に変換する方式は、PDM(Pulse Density Modulation)等の他の変調方式であってもよい。
The
The force
Note that the method of converting the tactile sense presentation information or force sense presentation information signal into an electrical signal may be another modulation method such as PDM (Pulse Density Modulation).
図2に、コンピュータ20、力覚用コントローラ30、力覚提示装置40、触覚用コントローラ50及び触覚提示装置60が組み合わされた力触覚提示システム10の構造を示す。
FIG. 2 shows the structure of the force / tactile
図2に示すように、力覚提示装置40は、概略直方体枠形状のフレーム41と、フレーム41に固定された24個のモータ部42a〜42x(単に、モータ部42ともいう)と、各々のモータ部42の軸の固定ローラ(図示せず)に巻かれた糸43と、4本の糸43を1つに束ねて手100の各々の指先に接続する5つの糸接続部44とを備えて構成されている。なお、フレーム41の概略直方体枠形状は、6本の柱を直方体形状に組み合わせた形状において、4本の縦柱の内、前方の2本の縦柱が無い形状である。以降、糸43は、モータ部42の軸(固定ローラは省略する)に巻かれていると表現する。
As shown in FIG. 2, the force
フレーム41の上枠部41Jには、力覚用コントローラ30が取り付けられている。フレーム41は、断面が角枠形状で空洞になっており、各モータ部42a〜42xの配線がその空洞に挿通されている。この挿通された配線は、上枠部41Jに設けられた開口から符号30aで示すように外部へ引き出され、力覚用コントローラ30の信号出力側に接続されている。なお、図面上の符号30aでは分かり易くするため1本の配線を示しているが、実際には、各モータ部42a〜42xの配線が引き出されて、力覚用コントローラ30に接続されている。
The
力覚用コントローラ30の信号入力側は、各モータ部42a〜42xとの間で信号を送受信するためのケーブル配線30bで、コンピュータ20に接続されている。また、コンピュータ20には、触覚用コントローラ50の信号入力側がケーブル配線50aで接続されている。
The signal input side of the
触覚用コントローラ50の信号出力側は、手100の手頸にゴムバンド51で取り付けられたコネクタ52に、ケーブル配線50bで接続されている。更に、ケーブル配線50bをコネクタ52で分岐した配線50c,50d,50e,50f,50gが、手100の各指先の触覚提示装置60に接続されている。なお、図2では、触覚用コントローラ50をフレーム41の近傍に配置した状態を表しているが、フレーム41上に固定してもよい。
The signal output side of the
また、図2においては、構成を分かり易くするため、各々異なる位置の4つのモータ部42a,42g,42i,42nから延びる4本の糸43が、人差し指100bの指先に糸接続部44で1つに纏められてゴムバンド(装具)45で取り付けられた状態を代表して示す。従って、図示はしないが、人差し指100b以外の他の4本の指にも、人差し指100bと同様に、4本の糸43が、指先に糸接続部44で1つに纏められてゴムバンド45で取り付けられている。また、図2の人差し指100bの状態を、より分かり易くするため、図3に拡大図を示す。
Further, in FIG. 2, in order to make the configuration easy to understand, four
図3に示すように、ゴムバンド45には、人差し指100bの指先の爪側に糸接続部44が固定され、指先の腹側に触覚提示装置60が固定されている。更に説明すると、図3のA1−A1断面図である図4(a)に示すように、ゴムバンド45の両端が触覚提示装置60に固定されてゴムバンド45が環状となり、その触覚提示装置60と対向するゴムバンド45の外周面の位置に糸接続部44が固定されている。
As shown in FIG. 3, in the
図2に示す各モータ部42の軸に巻かれた糸43は、ナイロンや高分子ポリエチレン等の材料による切れにくい糸であり、モータ部42の正転により糸43が巻き取られて短くなり、逆転により引き出されて長くなるようになっている。各モータ部42の回転制御については後述する。
The
24個のモータ部42の内、16個のモータ部42a〜42pは、直方体枠形状を成すフレーム41の上側の長方形の上枠部41Jに固定され、残り8個のモータ部42q〜42xは、上枠部41Jと対向する長方形の下枠部41Kに固定されている。24個のうち4個は予備のモータ部42である。各モータ部42a〜42xから各指先に4本ずつが1つに(1点に)束ねられて接続される様態は、フレーム41の上下左右の異なる位置に配置された4つを1組とするモータ部42から延びる4本の糸43が、各指先に糸接続部44で1つに纏められて接続される様態となっている。
Of the 24 motor units 42, 16
なお、糸接続部44に接続される糸43は1つの指に対して1本〜3本でもよく(最低1本でもよい)、この場合、モータ部42の個数は、少なくとも5個〜15個となる。この逆に、予備等を更に考慮して24個を超える数のモータ部42を備えていても良い。
The number of the
各組のモータ部42の位置は予め定められているので、モータ部42の各位置をコンピュータ20に登録しておく。そして、例えば4本の糸43を1つの指に束ねるに必要な、1組のモータ部42a,42g,42i,42nから、人差し指100bの指先に1点に束ねられた4本の糸43の長さをコンピュータ20で計測(後述する)することにより、人差し指の3次元座標位置(単に、「位置」とも称す)を求める計算が可能となっている。この計算は、他の指においても同様に行われる。コンピュータ20は、計算した各指の3次元座標位置に応じて、画面20a上の仮想手を移動させる制御を行う。
Since the positions of the motor units 42 in each set are determined in advance, the positions of the motor units 42 are registered in the
コンピュータ20は、糸43の長さを計測する場合、力覚提示装置40からモータ部42のモータ情報である回転数や回転角度等の糸43の長さを計測するために必要な情報を、力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて、糸43の長さを計測する。
When the
また、コンピュータ20には、操作者の手100の各指の位置と、仮想手72の各指の位置とが対応付けられ、更に、仮想手の位置と仮想物体の位置も対応付けられている。これによって、コンピュータ20は、操作者の手100の各指の動きに応じて、仮想手72の動きを描画制御できるようになっている。
In addition, the position of each finger of the operator's
更に、コンピュータ20は、操作者の手100の操作動作に応じて仮想手が仮想物体を把持した際に、この把持したことを検出する。この検出は、前述のように操作者の手100の各指先の3次元座標位置を求め、この位置が、画面20a上の仮想物体を仮想手が把持した位置となったか否かを判定して行う。
Furthermore, when the virtual hand grips the virtual object in accordance with the operation operation of the operator's
更に、コンピュータ20は、操作者の各指先に、仮想手が仮想物体を把持した際の触感に応じた触覚を提示する触覚提示情報の信号を生成する。この生成については後述する。触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ50でPWMによる電気信号に変換されて、触覚提示装置60へ出力される。
Further, the
触覚提示装置60について、図5を参照して説明する。図5は、触覚提示装置60の一部断面斜視図である。触覚提示装置60は、ボビン61と、可動部62と、コイル63とを備えて構成されている。
The tactile
ボビン61は、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により外観形状がシルクハット形状に形成されている。図5ではシルクハットを上下逆向きに配置した状態を示している。この状態のシルクハット形状の円筒部61aの上方の開口61a1端には、第1円環板61bが固定され、この第1円環板61bから円筒部61aの縦方向に所定間隔開けて、円筒部61aの外周に第2円環板61cが固定されている。第1円環板61bの開口61b1は、円筒部61aの開口61a1より小径となっており、円筒部61aの開口61a1の中心側に円形に突き出ている。円筒部61aの下方の開口61a1は、蓋61d{図4(a)参照}で塞がれている。
The
この蓋61dで塞がれた円筒部61aの円柱形状(凹状)の空洞内に、可動部62が上下に移動自在に収容されている。可動部62は、円錐形状の尖り部材62bが先端を開口61b1に向けて、円筒形状の磁石62aの端面に固定されて形成されている。磁石62aは、ネオジュウムなどの高磁性材料の磁石である。尖り部材62bは、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により形成されている。なお、操作者に与える触覚に応じて、尖り部材62bの材料を適合させることが好ましい。
A
円筒部61aの空洞内の上下方向の中心軸と、可動部62の上下方向の中心軸とは一致(又は略一致)しており、互いの中心軸が一致状態となって可動部62が移動するように成されている。
第1円環板61bと第2円環板61cとの間隙には、コイル導線(導線)を周回して円環状に巻いたコイル63が配設されている。
The vertical center axis in the cavity of the
In the gap between the first
図4(a)に示すように、コイル63が無通電状態で、可動部62がボビン61の内部底面に重力で載置状態となっている場合に、コイル63に所定の電流を供給(通電状態)したとする。この場合、図4(b)に示すように、電磁誘導作用によって、可動部62が電磁力で上方へ移動し、尖り部材62bの先端が、開口61b1からボビン61の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指100bの指先を押圧する。
As shown in FIG. 4A, when the
ここで、コイル63のコイル導線の太さは、太すぎるとボビン61への巻き回数が少なくなって電磁誘導効果が低くなり、細すぎると電磁誘導効果は高くなるが、高熱が発生する。この高熱でボビン61が融ける等の不具合が生じる可能性がある。そこで、コイル導線の太さは、可動部62が上述した図4(b)のように移動可能な電磁力が発生し、且つボビン61が溶解する等の不具合が生じない発熱で済むような太さとする。
Here, if the thickness of the coil conducting wire of the
例えば、コイル導線の径を0.16mmとして、コイル導線をボビン61に40回巻いてコイル63を形成し、コイル63に0.8Aの電流を流すようにする。この際、電磁力で移動する可動部62の先端が、操作者の指先の皮膚を押圧する力は120mNとなる。この押圧により、操作者が指に所定の物体を把持した際の触覚を感じることになる。但し、この場合、可動部62の尖り部材62bは、円錐形状なので、その先端は曲率半径が略0mm(針状に尖っている)である。なお、曲率半径が略0mmとは、曲率半径が限りなく「0」に近づくこと、又は、「0」となることを示し、以降、曲率半径R=0mmと記載する。
For example, the diameter of the coil conductor is 0.16 mm, the coil conductor is wound around the
また、電流値Iが0.8A程度において、曲率半径R=0mm〜1.8mmの場合は、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与え、曲率半径R=∞(無限大)に近づく程に、触覚を余り与えないことが実験的に得られている。従って、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、電流値Iとの関係は、曲率半径Rが小さいほどに、電流値Iも小さくできる。つまり、曲率半径Rが小さいほどに、小さい電流値Iの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。
When the current value I is about 0.8 A and the radius of curvature R is 0 mm to 1.8 mm, the operator is given an appropriate tactile sensation when a predetermined object is grasped, and the radius of curvature R = ∞ (infinity) It has been experimentally obtained that the closer it is to), the less tactile sensation is given. Therefore, as for the relationship between the curvature radius R of the tip of the pointed
ここで、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、コイル63に流す電流値Iとは、上記のような関係があるので、尖り部材62bの先端の曲率半径Rは、仮想物体に対応する各種の実物体に応じて予め定めておき、この際の電流値Iも定めておく。例えば、仮想物体がゴムの塊である場合、曲率半径R=0mmの尖り部材62bを適用し、この際に、電流値I=0.8Aと定めておく。
Here, since the curvature radius R of the tip of the
このような仮想手が把持する仮想物体に対応する各種の実物体と、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、コイル63に流す電流値Iとを、コンピュータ20の図示せぬROM(Read Only Memory)やHDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置に記憶されたデータテーブル(図示せず)に、各々データ化して対応付けておく。
Various real objects corresponding to the virtual object held by such a virtual hand, the radius of curvature R of the tip of the pointed
例えば、データテーブルに、ゴムの塊と、曲率半径R=0mmと、電流値I=0.8Aとが、各々データ化されて対応付けられているとする。この場合、尖り部材62bは、先端が曲率半径R=0mmのものが適用されているとする。
For example, it is assumed that a rubber lump, a radius of curvature R = 0 mm, and a current value I = 0.8 A are converted into data and associated in the data table. In this case, it is assumed that the
コンピュータ20が、仮想手が、ゴムの塊に対応する仮想物体を把持したことを検出した場合、データテーブルから、ゴムの塊及び曲率半径R=0mmが対応付けられた電流値I=0.8Aを検索し、0.8Aの電流をコイル63に流すための触覚提示情報の信号を生成する。この触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ50でPWMによる電気信号に変換されて触覚提示装置60へ出力され、コイル63に電流が供給される。これにより、可動部62の尖り部材62bの先端が、開口61b1からボビン61の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指100bの指先を押圧する。
When the
次に、図4(a)に示すように、ボビン61の蓋61dが下方に位置する場合は、コイル63が無通電状態であれば、可動部62は重力でボビン61の内部底面に載置状態となる。しかし、図3に示す親指100aのように、ボビン61の蓋61dが上方に位置する場合は、コイル63が無通電状態であれば、重力で可動部62の先端が親指100aの腹に載置状態となる。
Next, as shown in FIG. 4A, when the
この場合、可動部62の重量は、操作者が重さを触覚として感じてしまうため、操作者がその重さを感じないように定められている。本実施形態では、先端の曲率半径R=0mmの場合、可動部62の重量を、0.15gとして重量を感じないようにしてある。操作者が重力による可動部62の重量を感じるか否かは、重量以外に、先端の曲率半径Rにもよる。そこで、可動部62の重量と、先端の曲率半径Rとを考慮して、操作者が上述のような重力による載置時に、可動部62を、その重量を感じない重さとする必要がある。
In this case, the weight of the
また、指先に触覚提示装置60を装着した際に、人が重みを感じる重量は、平均的に2.1g以上である。このため、本実施形態では、触覚提示装置60の重量は、2.1g未満としてある。
ここまでの説明で記載した各種の数値例は、力触覚提示システム10を、少なくともその数値で設計すれば、触覚及び力覚を良好に操作者に提示できることを示唆するものである。
Moreover, when the tactile
The various numerical examples described so far suggest that the tactile sensation and the haptic sensation can be satisfactorily presented to the operator if the force / tactile
このような構成の触覚提示装置60は、次のように触覚を指先に伝達する。まず、図2に示すコンピュータ20は、力覚提示装置40から得られる糸43の長さを計測するための情報を用いて、操作者の各指先の3次元座標位置を計算する。コンピュータ20は、計算による3次元座標位置から、仮想手が仮想物体を把持したことを検出した際に、操作者の各指先に仮想物体を把持した触覚を伝達するための触覚提示情報を生成し、触覚用コントローラ50へ出力する。
The tactile
触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。そして、触覚提示装置60が、触覚提示信号に応じてコイル63に電流を流す。この電流による電磁誘導作用によって、図4(b)に示すように可動部62が上方へ移動し、尖り部材62bの先端が人差し指100bの指先を押圧し、触感に対応した触覚を操作者の指先に伝達する。
The
次に、図2に示す力覚提示装置40は、仮想手が仮想物体を把持した時に指先に伝わる反力を、糸43を引っ張って操作者の手100の指先に伝達する。その反力は、仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想物体から受けるものである。このため、コンピュータ20は、記憶装置に、仮想物体に対応する実物体の弾性係数や内圧等のデータを記憶しておき、仮想手が仮想物体を把持した際の仮想物体の変形量に、弾性係数を用いて反力を求める。
Next, the force
まず、コンピュータ20が、上記の仮想手が仮想物体を強く把持したことを検出する場合、前述のように操作者の手100の各指先の3次元座標位置を求め、この位置と、画面20a上の仮想手の位置とを対応付ける。つまり、コンピュータ20は、その仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想手の各指先が仮想物体に食い込む場合の、仮想手と仮想物体との相対位置を求める。
First, when the
例えば、仮想物体の表面の位置が「0」であるとすると、仮想手が仮想物体を把持した瞬間は、仮想手の指の位置も「0」となる。位置「0」は仮想物体の表面の基準位置であるとする。仮想手の各指先が仮想物体に食い込んだ場合、仮想手の指先の位置は、基準位置「0」に対して「−2」のような仮想物体の表面から食い込んだ位置となる。このように、仮想物体の表面の基準位置「0」に対する仮想手の指の位置の「0」や「−2」を相対位置とする。 For example, when the position of the surface of the virtual object is “0”, the position of the finger of the virtual hand is also “0” at the moment when the virtual hand grips the virtual object. The position “0” is assumed to be a reference position on the surface of the virtual object. When each fingertip of the virtual hand bites into the virtual object, the position of the fingertip of the virtual hand is a position biting from the surface of the virtual object like “−2” with respect to the reference position “0”. As described above, “0” or “−2” of the position of the finger of the virtual hand with respect to the reference position “0” on the surface of the virtual object is set as a relative position.
更に、コンピュータ20は、その相対位置に応じて、仮想物体の変形量を求め、この変形量に弾性係数を用いて反力を求める。この際、相対位置と、仮想物体の変形量と、この変形量に応じた反力とは、予め対応付けて記憶装置にテーブル化してもよい。
Further, the
コンピュータ20は、操作者の各指先に、上記で求めた反力を糸43で引っ張って伝達するための力覚提示情報を、各モータ部42の回転トルク(単に、トルクともいう)として計算する。コンピュータ20は、その計算された触覚提示情報を力覚用コントローラ30へ出力する。
The
力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号(電気信号)に変換して力覚提示装置40へ出力する。そして、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で指先を引っ張り、反力に対応した力覚を操作者の指先に伝達する。
The
<実施形態の動作>
次に、本実施形態に係る力触覚提示システム10による触覚及び力覚の提示動作を、図6及び図7に示すフローチャートを参照して説明する。
図6に示すステップS1において、図2に示したコンピュータ20の制御により、図8(a)に示すように、画面20aに、3次元VR空間内の仮想物体としてのゴムボール71と、仮想手72とが離間状態に表示されているとする。但し、ゴムボール71は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。
<Operation of Embodiment>
Next, a tactile sense and force sense presenting operation by the force / tactile
In step S1 shown in FIG. 6, under the control of the
次に、ステップS2において、図2に示した力覚提示装置40の糸接続部44及び触覚提示装置60を、ゴムバンド45で操作者の各指先に装着した手100によって、図8(b)に示す仮想手72がゴムボール71を把持するように、操作が行われるとする。この際、仮想手72がゴムボール71を肉眼上では凹まないように把持されたとする。
Next, in step S2, the
次に、ステップS3において、コンピュータ20は、上記ステップS2の把持操作を行う操作者の手100に繋がる、各糸43(図2参照)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、各指先の3次元座標位置を計算して求める。
Next, in step S3, the
更に、ステップS4において、コンピュータ20は、上記ステップS3で求められた操作者の各指先の3次元座標位置に応じて、仮想手72がゴムボール71を把持する動作を行うように描画制御する。
Furthermore, in step S4, the
ステップS5において、コンピュータ20は、仮想手72がゴムボール71の表面を把持した位置となったことを検出した際に、その把持の触覚を操作者に伝達するための触覚提示情報を求める。この触覚提示情報は、触覚提示装置60の可動部62のコイル63に、例えば0.8Aの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ20から触覚用コントローラ50へ出力される。
In step S <b> 5, when the
ステップS6において、触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。
In step S <b> 6, the
ステップS7において、その触覚提示信号に応じて触覚提示装置60のコイル63に電流が供給される。
In step S7, a current is supplied to the
この電流供給に応じた電磁誘導作用により、ステップS8において、図4(b)に示すように触覚提示装置60の可動部62が上方へ移動し、尖り部材62bの先端が各指{図4(b)には人差し指100bのみ表示}の指先を押圧する。この押圧により、上記計算の触感に対応した触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、画面20a上で仮想手72がゴムボール71を把持した時に、手100の各指に、その把持した触感を感じる。
Due to the electromagnetic induction action corresponding to the current supply, in step S8, the
次に、図7に示すステップS9において、操作者の手100によって、図8(b)に示すゴムボール71を把持した仮想手72が、図8(c)に示すように、ゴムボール71を更に強く把持するように、操作が行われたとする。この場合、仮想手72が、ゴムボール71を凹むように把持した状態となる。
Next, in step S9 shown in FIG. 7, the
この際、ステップS10において、コンピュータ20は、操作者の手100の各指先の変化に応じて、時々刻々と変化する各糸43の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、自身の位置から時々刻々と変化する操作者の各指先の3次元座標位置を計算して求める。
At this time, in step S10, the
更に、ステップS11において、コンピュータ20は、上記ステップS10で計算された操作者の各指先の3次元座標位置に応じて、仮想手72がゴムボール71を強く把持する動作を行うように描画制御する。
Furthermore, in step S11, the
この制御により、仮想手72の各指がゴムボール71を徐々に強く把持し、各指先がゴムボール71に徐々にめり込み、仮想手72の各指先の位置が時々刻々と変化する。この変化に応じて仮想手72の各指先はゴムボール71から反力を受ける。
そこで、ステップS12において、コンピュータ20は、ゴムボール71の基準表面位置に対する、ゴムボール71に食い込む仮想手72の指先の相対位置を求める。そして、コンピュータ20は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール71の弾性係数を用いて反力を求める。
By this control, each finger of the
Therefore, in step S <b> 12, the
次に、ステップS13において、コンピュータ20は、上記ステップS12で求められた反力を、操作者の各指先に糸43で引っ張って伝達するために必要な各モータ部42のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ30へ出力する。
Next, in step S13, the
ステップS14において、力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置40へ出力する。
In step S <b> 14, the
そして、ステップS15において、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で操作者の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、画面20a上で仮想手72がゴムボール71を強く把持した時の反力を、手100の各指先に感じる。この際、上記ステップS2〜S8で説明したように、その強く把持した際の触覚も感じることができる。
In step S15, the force
<実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態に係る触覚提示装置60は、図1に示すように、演算及び制御処理を行うコンピュータ20の制御により画面20aに物体71及び手72(図8)が表示され、当該表示物体としての仮想物体72が当該表示手としての仮想手72で把持された際の触覚を、仮想手72の動作をコンピュータ20の制御と連携しながら操作する操作者の手100に感知可能に伝達するものである。
<Effect of embodiment>
As described above, in the
この触覚提示装置60の特徴は、図5に示すように、筒状を成し、一端の開口が蓋61dで閉塞されて内部が凹状となったボビン61と、ボビン61の外周にコイル導線が巻回されて成るコイル63と、ボビン61の凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビン61の開口側に先端を向けた尖り部材62bが磁石62aに一体に固定されて成る可動部62とを備えた構成にある。この構成において、ボビン61の開口61b1が操作者の手100に当接状態となるようにボビン61が装着された当該操作者の操作により、表示手としての仮想手72が表示物体としての仮想物体71を把持した際に、コイル63に電流が供給される。この電流供給により生じる電磁誘導作用によって可動部62が移動する。そして、可動部62の先端が、ボビン61の開口61b1から突出して、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手100を押圧するようにした。
As shown in FIG. 5, the tactile
これによって、操作者の手100の操作により、画面20aに表示された仮想手72が仮想物体71を把持した際に、操作者の手100に装着されたボビン61のコイル63に電流が供給される。この電流供給によってボビン61の凹状の内部の可動部62が移動し、可動部62の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手100を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、仮想手72に仮想物体71を把持させた時に、仮想物体71に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。
As a result, when the
また、尖り部材62bは、この先端の曲率半径が0mm〜1.8mmであり、コイル63に供給される電流値Iは、当該電流値Iの電流がコイル63に供給された際の可動部62の移動により、曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材62bの先端が操作者の手を押圧した際に、当該操作者に触覚を感じさせる大きさとした。
The
これによって、尖り部材62bの先端の曲率半径を0mm〜1.8mmの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体71に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材62bの先端の曲率半径を、0mm〜1.8mmの比較的広い範囲で定めることができる。
As a result, even if the radius of curvature of the tip of the pointed
また、コイル63に供給される電流値Iは、尖り部材62bの先端の曲率半径Rが小さくなるに従い、小さくするようにした。
Further, the current value I supplied to the
これによって、尖り部材62bの先端の曲率半径Rが小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値Iの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径Rを小さくして、触覚提示装置60の消費電力を抑制することができる。
As a result, the smaller the radius of curvature R of the tip of the
また、可動部62は、ボビン61の開口が下方を向くことにより、尖り部材62bの先端が操作者の手100に重力で載置状態となった際に、当該操作者が可動部62の重さを感じない重量とした。
Further, when the opening of the
これによって、尖り部材62bの先端が操作者の手100に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態の時点では可動部62の重量を感じない。このため、操作者の手100の操作で仮想手72が仮想物体71を把持した際の、尖り部材62bの先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。
Thus, even when the tip of the pointed
また、触覚提示装置60の重量は、触覚提示装置60を操作者の手100に装着する装具としてのゴムバンド45と併せて、2.1g未満とした。
In addition, the weight of the
これによって次のような作用効果が得られる。物の重量が2.1g以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、ゴムバンド45と併せて2.1g未満の触覚提示装置60では、人は、その重さを感じない。従って、2.1g未満の触覚提示装置60をゴムバンド45で操作者の手100に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、仮想手72の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置60の可動部62の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。
As a result, the following effects can be obtained. When the weight of an object is 2.1 g or more, if the object is placed on a hand, for example, the person feels the weight of the placed object. For this reason, in the tactile
次に、本実施形態の力触覚提示システム10は、上記の触覚提示装置60と力覚提示装置40とを備える構成とした。力覚提示装置40は、触覚提示装置60の動作を制御するコンピュータ20の制御により画面20aに表示された仮想物体71が仮想手72で把持された際の把持力の反力である力覚を、仮想手72をコンピュータ20に制御させながら操作する操作者の手100に、感知可能に伝達する。
Next, the force / tactile
この力触覚提示システム10の特徴を説明する。力覚提示装置40は、操作に応じてコンピュータ20により回転制御される複数のモータとしてのモータ部42と、モータ部42に、当該モータ部42の正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸43と、少なくとも1つ以上のモータ部42から延びる糸43が接続されるか、又は少なくとも2つ以上のモータ部42から延びる複数本の糸43が1つに束ねられて接続される糸接続部44とを備える。糸接続部44と触覚提示装置60とが、1つのゴムバンド45を介して操作者の手100に装着されており、コンピュータ20は、仮想物体71が仮想手72で把持された際に、操作者の手100に装着されている糸接続部44に接続された1本、又は1つに束ねられた複数本の糸43の長さを計測して当該操作者の手100の位置を求め、この位置の手100に力覚を糸43で引っ張って伝達するために必要なモータ部42の回転制御を行う情報を生成する。この生成された情報で当該モータ部42を回転させ、力覚が操作者の手100に伝達されるように糸43で当該操作者の手100を引っ張るようにした。
The features of the force / tactile
これによって、操作者の手100の操作により、画面20aに表示された仮想手72が仮想物体71を強く把持した際に、触覚提示装置60の可動部62による操作者の手100への押圧によって、操作者は操作を行っている自分の手に、実物体を把持した時と同じような触覚を感じることができる。同時に、力覚提示装置40の糸43が、把持力の反力である力覚が伝わるように、触覚が伝達中の操作者の手100を引っ張るので、操作者に力覚を感じさせることができる。従って、操作者は、仮想手72が仮想物体71を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。
Thus, when the
また、触覚提示装置60及び糸接続部44を合計した重量は、触覚提示装置60及び糸接続部44の双方を操作者の手100に装着する装具としてのゴムバンド45と併せて、2.1g未満とした。
Further, the total weight of the tactile
これによって、前述の触覚提示装置60の重量がゴムバンド45と併せて2.1g未満では指先で重さを感じないので、操作者は、指先で触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。この操作性に関しては、小型軽量の触覚提示装置60及び糸接続部44が固定されたゴムバンド45を、操作者が各指先に装着して操作を行うので、より良好な操作性を得ることができる。
Accordingly, if the weight of the tactile
以上説明した本実施形態では、糸接続部44及び触覚提示装置60をゴムバンド45で各指先に取り付け、触覚用コントローラ50をゴムバンド51で手頸に取り付けた構成としたが、グローブの指先に糸接続部44及び触覚提示装置60を固定し、グローブの甲側に触覚用コントローラ50を固定した構成としてもよい。
In the present embodiment described above, the
また、触覚用コントローラ50及び力覚用コントローラ30は、コンピュータ20に内蔵してもよい。更に、触覚用コントローラ50とコネクタ52間は、有線通信に代え、無線通信で接続してもよい。
The
<実施形態の応用例>
図9は、本発明の実施形態の力触覚提示システムを用いた応用例に係るロボット操作システムの構成を示す図である。
図9に示すロボット操作システム12は、上述した力触覚提示システム10と、通信装置70と、中継装置80と、ロボット90とを備えて構成されている。
<Application example of embodiment>
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a robot operation system according to an application example using the force / tactile sensation presentation system of the embodiment of the present invention.
A robot operation system 12 shown in FIG. 9 includes the above-described force / tactile
通信装置70は、コンピュータ20と有線通信(又は無線通信)で接続されている。この通信装置70は、操作者の手100(図2参照)の操作に応じてコンピュータ20で生成されるロボット90の操作制御信号を、中継装置80を介して遠隔地(離間位置)のロボット90へ無線送信する。また、通信装置70は、ロボット90からの動作状態等の情報を含むロボット情報信号を、中継装置80を介して無線で受信し、この受信したロボット情報信号をコンピュータ20へ送信する。
The
中継装置80は、コンピュータ20とロボット90との間で送受信される操作制御信号及びロボット情報信号を、無線通信にて中継する。なお、通信装置70とロボット90の距離が短い場合は、中継装置80は不要となり、通信装置70とロボット90が直接無線通信を行う。また、通信装置70とロボット90が近距離でノイズ混信など電波環境が悪い場所では、通信装置70とロボット90を有線で接続してもよい。
The relay device 80 relays an operation control signal and a robot information signal transmitted and received between the
ロボット90は、ヒューマノイド型のロボットであり、胴体91と、両足92と、両腕93及び両手94と、頭部95とを備え、頭部95に、中継装置80との間で電波を送受信するアンテナ96と、両眼としてのカメラ98とを備える。両手94には、各々5本の指97を備える。なお、図9には、両足90bを1本のみ表記し、5本の指97を2本のみ、両眼に対応する2つのカメラ98を1つのみ表記してある。また、ロボット90の手94及び指97は、請求項に記載の「ロボットのマニピュレータ」に対応している。
The
ロボット90は、図示はしないが、内部に、両足90b、両手94及び指97、頭部95等を人間に近い状態で動かすためのアクチュエータを含む機械機構を備える。更に、ロボット90は、内部に図示せぬ、通信機能、センサ機能、コンピュータ機能を備える。
Although not shown, the
機械機構は、ロボット90に人間のように、両足90bで歩行させ、両腕93を肩関節で動作させ、両手94を動かして5本の指97で、物75を把持させる等の動作を行わせる。ここでは、把持する物75が、たまご型のゴムボールであるとする。
The mechanical mechanism causes the
通信機能は、アンテナ96を介して中継装置80と無線で送受信を行う。
センサ機能は、ロボット90の両足90b、両手94及び指97等の動作状態や、この動作時の両足90b、両手94及び指97等の3次元座標位置等を検出する。
The communication function performs wireless transmission / reception with the relay device 80 via the
The sensor function detects the operating state of both feet 90b, both
コンピュータ機能は、アンテナ96を介して通信機能で受信された操作制御信号に応じた動作を、ロボット90が行うように機械機構を制御する。更に、コンピュータ機能は、センサ機能の検出動作やカメラ98の撮影動作等を制御し、それらの動作で得られる情報を処理してロボット情報信号を生成する。
The computer function controls the mechanical mechanism so that the
ロボット90が、例えば一方の手94の指97でゴムボール75を把持した状態をカメラ98で撮影した場合、この様子が、図10(a)に示すように、コンピュータ20の画面20aに表示される。この表示は次のように行われる。ロボット90において、カメラ98で撮影された映像情報がコンピュータ機能でロボット情報信号に重畳されて生成され、このロボット情報信号が中継装置80及び通信装置70を介してコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、ロボット情報信号の映像情報に応じて、画面20aに図10(a)に示すように手94aの指97aでゴムボール75aを把持した様子を表示する。
For example, when the
なお、ロボット90の腕93、手94、指97、並びにゴムボール75が、図10(a)及び(b)に示すように、画面20aに表示される場合、腕93a、手94a、指97a、並びにゴムボール75aのように、符号にaを付して実際のものと区別してある。また、ゴムボール75は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。
When the
ロボット90が手94の指97でゴムボール75を、図10(a)に示すように把持する際の動作は次のように行われる。
The operation when the
操作者は、図10(a)に示すように、画面20aに表示された手94aの指97aが、ゴムボール75aを把持するように手100の各指(図2)を動かす。これに応じて、コンピュータ20は、その操作を行う手100の各指に繋がる各糸43(図2)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、手100の各指先の3次元座標位置を計算する。
As shown in FIG. 10A, the operator moves each finger (FIG. 2) of the
コンピュータ20は、その計算された3次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置70及び中継装置80を介してロボット90へ送信する。ロボット90は、コンピュータ機能で、操作制御信号の3次元座標位置の情報に応じて、手94の指97を把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手94の指97が把持するように動かし、ゴムボール75を把持する。
The
この際、ロボット90が動かす手94及び指97の画像は、カメラ98で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図10(a)に示すように、画面20aに手94aの指97aによる把持動作を表示する。
At this time, images of the
また、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を把持する際の把持動作の状態や、この時の手94の指97の3次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット90からコンピュータ20へ送信される。
The state of the gripping operation when the
コンピュータ20は、そのロボット情報信号に含まれる3次元座標位置の手94の指97が、ゴムボール75を把持する状態を示す情報(ロボット把持動作情報という)を用い、操作者の手100の指先に、その把持時の触覚を伝達するための触覚提示情報を求める。これは、コンピュータ20が、ロボット把持動作情報から、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を把持したことを検出した際に、前述した実施形態と同様に触覚提示情報を求めるものである。この触覚提示情報は、触覚提示装置60の可動部62のコイル63に、例えば0.8Aの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ20から触覚用コントローラ50へ出力される。
The
触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。この出力された触覚提示信号に応じて触覚提示装置60のコイル63{図4(b)}に電流が供給される。この電流の供給に応じた電磁誘導作用により、触覚提示装置60の可動部62{図4(b)}が上方へ移動し、その尖り部材62bの先端が各指の指先を押圧する。この押圧により、上記計算された触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、ロボット90の手94の指97が、ゴムボール75を把持した際の触覚を、自分の手100の各指に感じることができる。
The
この後、図10(b)に示すように、ロボット90が手94の指97でゴムボール75を、更に強く把持したとする。この動作は次のように行われる。
Thereafter, as shown in FIG. 10B, it is assumed that the
操作者は、図10(a)に示す画面20aに表示された手94aの指97aが、ゴムボール75aを把持した様子を見ながら、ゴムボール75aを更に強く把持するように手100の各指(図2)を動かす。これに応じて、コンピュータ20は、その操作を行う手100の各指に繋がる各糸43(図2)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、手100の各指先の3次元座標位置を計算する。
The operator observes how the
コンピュータ20は、その計算された3次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置70及び中継装置80を介してロボット90へ送信する。ロボット90は、コンピュータ機能で、操作制御信号の3次元座標位置の情報に応じて、手94の指97を更に強く把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手94の指97が更に強く把持するように動かし、ゴムボール75を更に強く把持する。
The
この際、ロボット90が動かす手94及び指97の画像は、カメラ98で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図10(b)に示すように、画面20aに手94aの指97aによる強い把持動作を表示する。
At this time, images of the
また、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を更に強く把持する際の把持動作の状態や、この時の手94の指97の3次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット90からコンピュータ20へ送信される。
In addition, the state of the gripping operation when the
コンピュータ20は、そのロボット情報信号に含まれるロボット把持動作情報を用い、ロボット90の手94の指97がゴムボール75を更に強く把持した際に、手94の指97がゴムボール75から受ける反力を求める。即ち、コンピュータ20は、ゴムボール75の基準表面位置に対する、ゴムボール75に食い込む手94の指97の相対位置を求める。そして、コンピュータ20は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール75の弾性係数を用いて反力を求める。
The
次に、コンピュータ20は、その求められた反力を、操作者の各指先に糸43で引っ張って伝達するために必要な各モータ部42のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ30へ出力する。
Next, the
力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置40へ出力する。
The
そして、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で操作者の手100の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、図10(b)に示すように画面20a上で、ロボット90の手94aの指97aがゴムボール75aを更に強く把持する際の反力を、手100の各指先に感じる。
Then, the force
このような操作者の手100の各指による操作と、この操作に応じたロボット90の手94の指97の動作と、この動作に応じた操作者の手100の各指先への触覚及び力覚の伝達とは、コンピュータ20とロボット90との間で、操作制御信号とロボット情報信号とがその操作や動作の都度、送受信されることにより順次実行される。
Such an operation with each finger of the operator's
なお、ロボット90においては、その手94の指97の動作は、ロボット90の目として搭載されたカメラ98で撮影するようにしたが、ロボット90から離間した位置に外部カメラを配置して撮影してもよい。この場合、外部カメラで撮影された情報は、ロボット90へ無線送信されて、内部のコンピュータ機能で処理されるようにする。
In the
以上のような本実施形態の力触覚提示システム10を用いた応用例のロボット操作システム12によれば、次のような作用効果を得ることができる。
According to the robot operation system 12 of the application example using the force / tactile
操作者が、コンピュータ10の画面20aに表示された遠隔地のロボット90のマニピュレータとしての手94の指97を見ながら、ロボット90の手94の指97の動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面20aに表示された手94の指97の近くの実物体としてのゴムボール75を、操作者が遠隔操作で手94の指97に把持させたとする。この時に、操作者は、その把持した際の触覚及び力覚を、同時に感じることができる。
It is assumed that the operator is remotely operating the movement of the
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。図2に示したゴムバンド45に固定された触覚提示装置60及び力覚提示装置40の糸接続部44を、操作者の手100の各指に代え、足の各指にゴムバンド45で装着してもよい。この場合、手で操作ができない人に足で操作させることが可能となる等、適用範囲を拡げることができる。
In addition, about a concrete structure, it can change suitably in the range which does not deviate from the main point of this invention. The
10 力触覚提示システム
12 ロボット操作システム
20 コンピュータ
20a 画面
30 力覚用コントローラ
30a モータ部の配線
30b ケーブル配線
40 力覚提示装置
41 フレーム
42a〜42x モータ部
43 糸
45 ゴムバンド
50 触覚用コントローラ
50a,50b ケーブル配線
51 ゴムバンド
50c〜50g 配線
60 触覚提示装置
61 ボビン
61a 円筒部
61a1 円筒部の開口
61b 第1円環板
61c 第2円環板
61d 蓋
61b1 第1円環板の開口
62 可動部
62a 磁石
62b 尖り部材
63 コイル
70 通信装置
71 仮想物体(ゴムボール)
72 仮想手
75 物体(ゴムボール)
80 中継装置
90 ロボット
91 胴体
92 足
93 腕
94 手
97 指
95 頭部
96 アンテナ
98 カメラ
100 操作者の手
100a 親指
100b 人差し指
DESCRIPTION OF
72
80
Claims (10)
筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、
前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、
前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部と
を備え、
前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧する
ことを特徴とする触覚提示装置。 A tactile sensation when a display object displayed on the screen is gripped by the display hand displayed by the control of the arithmetic processing means for performing arithmetic and control processing, and the operation of the display hand is linked with the control of the arithmetic processing means. In the tactile sense presentation device that sensiblely communicates to the operator's hand operating while
A bobbin having a cylindrical shape, with one end closed and a concave inside;
A coil formed by winding a conductive wire around the bobbin;
A movable part that is movably disposed inside the concave shape of the bobbin, and has a pointed member with the tip facing the opening side of the bobbin that is integrally fixed to the magnet.
A current is supplied to the coil when the display hand grips the display object by the operation of the operator with the bobbin mounted so that the opening of the bobbin is in contact with the hand of the operator. The tip of the movable part that moves due to the electromagnetic induction generated by the supply protrudes from the opening of the bobbin and presses the operator's hand so that the operator feels the tactile sensation. Tactile presentation device.
前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする請求項1に記載の触覚提示装置。 The sharp member has a curvature radius of 0 mm to 1.8 mm at the tip of the sharp member,
The current value supplied to the coil is such that the tip of the pointed member having a radius of curvature of 0 mm to 1.8 mm is the operator's movement due to the movement of the movable part when the current of the current value is supplied to the coil. The tactile sensation presentation apparatus according to claim 1, wherein the tactile sensation presentation apparatus has a size that allows the operator to feel the tactile sensation when the hand is pressed.
前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置と
を備えることを特徴とする力触覚提示システム。 A tactile presentation device according to any one of claims 1 to 7,
A force sense that is a reaction force of a gripping force when the display object displayed on the screen by the control of the arithmetic processing unit that controls the operation of the tactile sense presenting device is gripped by the display hand, A force / tactile sensation presentation system comprising: a force / tactile sensation presentation device that transmits the information to a hand of an operator who operates the device in cooperation with the control of the arithmetic processing unit.
前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、
前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、
前記モータの内、少なくとも1つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、
前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、1つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、
前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする請求項9に記載の力触覚提示システム。 The force sense presentation device includes:
A plurality of motors whose rotation is controlled by the arithmetic processing means according to the operation;
A thread attached to the motor such that its length expands and contracts in accordance with the normal rotation or reverse rotation of the motor;
A thread connecting portion to which a thread extending from at least one of the motors is connected;
The thread connecting portion and the tactile sense presentation device are attached to the operator's hand through one appliance,
When the display object is gripped by the display hand, the arithmetic processing means measures the lengths of a plurality of threads bundled at the thread connecting portion attached to the operator's hand, and The position of the operator's hand is obtained, information for performing rotation control of the motor necessary for pulling and transmitting the force sense to the hand at this position is generated, and the motor is The force / tactile sensation presentation system according to claim 9, wherein the force / tactile sense presentation system is rotated and the operator's hand is pulled by the thread so that the force sense is transmitted to the operator's hand.
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